光子pH传感器可以帮助组织再生杨沛宜

2022-07-19

光子pH传感器可以帮助组织再生

在实验室中增加组织以帮助人类恢复失去的器官或四肢的想法在许多方面引起了研究。美国国家标准技术研究院的科学家们正在开发一种新型的基于光的传感器，以研究实验室中的组织生长。

NIST团队的概念验证发表在传感器和执行器B上，展示了一个小型传感器，该传感器使用基于光的信号来测量pH，pH是细胞生长研究的重要属性相同的基本设计可用于测量其他质量，例如钙，细胞生长因子和某些抗体的存在。

这种测量技术可用于长期监视细胞培养中的环境，而不必定期打扰细胞以校准传感仪器。NIST化学家Zeeshan Ahmed称，能够连续数天或数周实时监视组织特性的能力可能有益于组织工程研究，以生长牙齿，心脏组织，骨骼组织等。

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“我们希望制造可以放在生长组织内的传感器，为研究人员提供定量信息，”艾哈迈德在NIST网站上的一篇文章中说。“组织实际上在生长吗？健康吗如果您长出骨头，它具有适当的机械性能还是太弱而无法支撑身体？”

该研究还可以帮助科学家了解疾病进展对组织生长的影响。

美国大学化学家兼NIST客座研究员Matthew Hartings说：“这些传感器可以为人们提供有关组织生长和疾病进展的实时信息。” Hartings说，传统的传感器为研究人员提供了一系列快照，而没有显示它们之间的路径。但是光子传感器可以为科学家提供连续的信息，相当于疾病的GPS导航应用程序。

pH值的测量是组织工程研究的重要组成部分。随着细胞的生长，其环境自然会变得更加酸性。如果环境变得太酸或太碱性，细胞将死亡。科学家们测量的pH值范围从0到14，对于大多数细胞而言，理想的环境是在pH值约为7的狭窄范围内。

商用pH仪器不稳定，这意味着它们需要频繁校准以确保每天的准确读数。如果不进行校准，这些传统的pH计每天就会损失多达0.1个pH单位的精度。但是组织工程学研究需要几周的时间。干细胞培养物可能需要生长近一个月才能变成骨骼。

艾哈迈德说：“ pH值增加0.1很明显。” “如果您的pH值改变1，则会杀死细胞。如果几天后我对我的pH测量结果一无所知，那么我将不再使用该测量方法。”

艾哈迈德补充说，需要一种测量系统，该系统可以留在培养箱中，细胞处于培养基中，并且无需在数周内每次都被移出或校准。

多年以来，艾哈迈德和他的团队一直在开发光子传感器，这是一种小型轻巧的设备，它们使用光信号来测量一系列质量，包括温度，压力和湿度。

为了使他们的光子设备适应pH测量，Ahmed和Hartings依靠科学上一个著名的概念：当物体吸收光时，吸收的能量“必定会流到某个地方”，Ahmed说，在许多情况下，能量转化为能量热。

为了演示，科学家使用了一种随pH值而改变颜色的物质：红甘蓝汁粉。卷心菜汁的颜色从深紫色变为浅粉红色，具体取决于溶液的酸度。艾哈迈德的光子温度传感器可以捕捉到这种颜色变化。

研究人员用白菜汁溶液填充培养皿。将一根光纤放置在培养皿上方。将其连接到激光指示器，将光照射到样品中。将第二光纤物理地嵌入液体中。第二根光纤包含布拉格光栅，并用作温度传感器。Ahmed的团队手动控制溶液的pH值。

为了进行测量，研究人员从上方将一种颜色的光照到了样品中。卷心菜汁根据其颜色不同程度地吸收红光，其颜色取决于当时溶液的pH值。光子温度计纤维吸收了果汁热量的这些细微变化。温度的变化会改变可以通过光纤布拉格光栅的光的波长。

接下来，研究人员将第二种颜色的光照射到液体中，并重复该过程。

通过比较每种颜色的光产生多少热量，研究人员可以确定此时白菜汁的确切颜色，并告诉他们pH值。

正在进行的工作表明，光子pH测量精确到正负0.13个pH单位，并且稳定至少三周，比传统测量更长。

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